EP1046867B1 - Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper - Google Patents

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EP1046867B1
EP1046867B1 EP00107948A EP00107948A EP1046867B1 EP 1046867 B1 EP1046867 B1 EP 1046867B1 EP 00107948 A EP00107948 A EP 00107948A EP 00107948 A EP00107948 A EP 00107948A EP 1046867 B1 EP1046867 B1 EP 1046867B1
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fluid
heated
microstructure body
heat
microchannels
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EP1046867A3 (de
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Klaus Dr. Schubert
Jürgen Brandner
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the present invention relates to a method for heat transfer to a fluid in a microstructured body with a variety of micro channels for the supply and the supply of Fluids and one, the heat energy transferred to the fluid Energy carrier and a microstructure body for exercise of the procedure.
  • From US 5,690,763 is a method for heat transfer to a fluid in a microstructure body having a plurality microchannels for the supply and delivery of the fluid, and a thermal energy transferring to the fluid Energy carrier known, wherein a part of the microstructure body by direct or indirect ohmic electrical heating heated and the resulting heat by heat conduction within the microstructure body to be heated Fluid is transferred.
  • a layer by layer constructed microstructure body with an electric Radiator disclosed within the microstructure body electrical energy is converted directly into heat and then transferred by thermal power to the fluid to be heated.
  • fluids with small heating rates, short Dwell times and precise temperature control at the same time heated to technically relevant throughputs can.
  • Under fluids are both gases and liquids to understand.
  • the temperature difference between the medium to be heated and the surface from which the Power is transferred to the fluid intended for certain Applications can be kept small.
  • the invention proposes the features before, which stated in the characterizing part of claim 1 are. Further advantageous features are the solution in the characterizing parts of the subclaims.
  • Microstructured bodies of the stated type are generally characterized in that either the characteristic hydraulic channel diameters d i or the channel dimensions a i , where a i is the largest dimension of a microchannel perpendicular to the fluid passage i, all microchannels of at least one fluid passage i smaller than 1000 microns.
  • the smallest wall thickness b i that is, the smallest distance between individual fluid passages is also less than 1000 microns, preferably less than 200 microns to choose.
  • the significant increase in the heat transfer performance in such microstructured bodies is based on the fact that the transport paths for heat flows to be transmitted are very short due to the small hydraulic channel diameter d i , but especially due to the small channel dimensions a i .
  • the specific heat transfer area can reach values greater than 100 cm 2 / cm 3 . This results in an overall increase in the volume-specific heat transfer performance by at least a factor of 100 over conventional heat exchangers.
  • microstructured bodies for heat transfer From experimental data obtained from microstructured bodies for heat transfer, heating rates of up to 10000 K per second can be achieved at residence times down to a few milliseconds. Therefore, a fluid flow of 400 kg / h in a microstructure body of 1 cm 3 active volume at 6 bar inlet and 1 bar outlet pressure in 3 milliseconds can be heated by 30 ° K. For larger microstructure bodies with 27 cm 3 active volume, a throughput of approximately 4000 kg / h results.
  • the active volume of a microstructure body is to be understood as meaning the volume in the interior in which the microchannels run, the volume of cover and side plates and that of the connections not being included.
  • the fluid to be heated is through at least one level or layer of a microstructure body with a multitude of adjacent microchannels or micro-breakthroughs whose transverse dimensions as already mentioned, less than 1000 ⁇ m are preferred less than 500 microns, being immediately adjacent to this fluid-carrying level at least one layer with at least an electrically heated heating element is arranged, which electrically insulated from the material of the fluid plane is.
  • a microstructure body with a multitude of adjacent microchannels or micro-breakthroughs whose transverse dimensions as already mentioned, less than 1000 ⁇ m are preferred less than 500 microns, being immediately adjacent to this fluid-carrying level at least one layer with at least an electrically heated heating element is arranged, which electrically insulated from the material of the fluid plane is.
  • For larger throughputs are many levels or Layers with micro-breakthroughs for the fluids alternately with layers of electrically heated heating elements to one compact unit arranged as in the later described Figures 1 and 2 shown in principle.
  • the heating elements may vary depending on the application Current flow in series or in parallel or in combination switched off.
  • To produce an imprinted Temperature profiles in the flow direction of the heated Fluids can be several in the heating layers Heating elements, seen in the flow direction, one behind the other be arranged, the different electrical Deliver services. This allows the fluid-carrying microstructures, - again seen in the flow direction - on different temperatures are heated. Thereby may be a temperature profile in the microstructure body for Exercise a method in the flowing fluid generated become. This can be important if z. In the microstructure body a chemical, endothermic process is performed, wherein the temperature in the flow direction first kept constant and then increased specifically got to.
  • FIG. 1 shows such a microstructure body 1 shown schematically, installed in the eleven foil double pieces are, each welded together and on top of each other stacked eleven rows of microchannels 2 result.
  • each The film double pieces contains a multiplicity of microchannels with 150 ⁇ m width and height and a length of 22 mm. Its hydraulic diameter is 133 ⁇ m.
  • the eleven welded together Foil duplicates are each at their Edges on top of each other with ten spacers 3 to one Block welded so that flat by the spacers 3 Cavities 4 are formed between the foil double pieces, into which plate-shaped, ceramic electrical heating elements 5 are used.
  • Microstructure body 1 is above and below with two end plates 7 complete with the structures of foil duplicates and the spacers 3 to a closed Block are diffusion welded.
  • directly usable heating elements 5 are in addition to the already mentioned electrically conductive ceramic Materials with a relatively high specific resistance used.
  • Tantalum, titanium, Tungsten, Konstantan and Fecralloy the latter being its surface a chromium oxide-aluminum oxide protective layer which forms a natural insulation.
  • the heated layers or heating elements but also from another metal or a metal alloy with an oxide layer on the surface for insulation consist.
  • FIG. 13 Another embodiment of a microstructure body is shown in FIG.
  • resistance heating cartridges 9 are used for heating.
  • Between two steel plates 10 as cover and bottom of the microstructure body are each several with microchannels 14 structured steel sheets 11 and spacers 12 stacked as heated layers in alternating order and diffusion welded together.
  • In the microstructured films 11 are each a plurality of microchannels 14 for the fluid 7 with about the already introduced dimensions.
  • the heating cartridges 9 are inserted into holes of the spacers 12. Of the Fluid connection to the microchannels 14 by means not illustrated standard fittings as connecting pieces serve.
  • the overall performance of such a microstructure body 13 in the range of a few 100W up to several kW lie.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids sowie einem, die Wärmeenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger und einen Mikrostrukturkörper zur Ausübung des Verfahrens.
Es ist bekannt, Fluide durch elektrisch beheizte Elemente zu erhitzen, was den Vorteil hat, das sich die Temperaturregelung bei der Wärmeübertragung schnell und einfach mit Hilfe einer elektrischen Leistungsregelung realisieren lässt. In allen Fällen werden die Fluide durch den direkten Kontakt mit dem elektrisch auf hohe Temperatur gebrachten Heizelement aufgeheizt. Zur Übertragung größerer Leistungen muß jedoch wegen der kleineren Oberflächen der konventionellen Heizelemente die treibende Temperaturdifferenz groß sein, das heisst die Oberflächentemperaturen der Heizelemente müssen sehr hoch sein. Dies kann problematisch sein, wenn Fluide erhitzt werden sollen, die sensitiv gegen hohe Temperaturen und/oder lokale Überhitzungen sind, z. B. Milch. Auch haben konventionelle elektrische Heizapparate relativ niedrige Aufheizraten, das heisst die erreichte Temperaturdifferenz pro Zeiteinheit ist gering und die Verweilzeiten sind, bedingt durch große aktive Wärmeübertragungsvolumina, relativ lang.
Aus der US 5.690.763 ist ein Verfahren zur Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids, sowie einem die Wärmeenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger bekannt, wobei ein Teil des Mikrostrukturkörpers durch direkte oder indirekte ohmsche elektrisch Erwärmung aufgeheizt und die entstandene Wärme durch Wärmeleitung innerhalb des Mikrostrukturkörpers auf das zu erwärmende Fluid übertragen wird. Ebenso wird ein schichtweise aufgebauter Mikrostrukturkörper mit einem elektrischen Heizkörper offenbart, der innerhalb des Mikrostrukturkörpers elektrische Energie direkt in Wärme umgewandelt und dann durch Wärmeleistung auf das zu erwärmende Fluid überträgt.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren mit einem Mikrostrukturapparat zu schaffen, mittels welchem Fluide mit kleinen Aufheizraten, kurzen Verweilzeiten und exakter Temperatursteuerung bei gleichzeitig technisch relevanten Durchsätzen aufgeheizt werden können. Unter Fluiden sind dabei sowohl Gase als auch Flüssigkeiten zu verstehen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem zu erhitzenden Medium und der Oberfläche, von der die Leistung auf das Fluid übertragen wird, soll für bestimmte Anwendungen klein gehalten werden können.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Weitere vorteilhafte Merkmale zur Lösung sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche angeführt.
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
  • die Figur 1 die schematische Darstellung eines elektrisch beheizten Mikrostrukturkörpers und
  • die Figur 2 die weitere Ausführung eines solchen.
    • Mikrostrukturkörper mit Mikrokanälen bestehen im allgemeinen aus einem Stapel diffusionsverschweißter Metallfolien mit Foliendicken von z. B. 100 µm. In diese Metallfolien werden mit Hilfe formgeschliffener Werkzeuge die parallel zueinander verlaufenden Mikrokanäle für Fluidpassagen gegebenenfalls für eine zu erhitzende Flüssigkeit eingebracht. Die minimal zu realisierenden Kanalabmessungen liegen im Bereich von 10 µm. Die geometrische Form der Mikrokanäle ist frei wählbar. So sind zum Beispiel Rechteck- sowie auch kreisförmige Querschnitte möglich. Die Mikrokanäle können dabei auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Um gleiche Durchflußmengenströme in den einzelnen Mikrokanälen einer Fluidpassage zu gewährleisten, sind die Mikrokanaäle einer solchen Fluidpassage untereinander gleich. Der charakteristische hydraulische Kanaldurchmesser von Mikrokanälen einer Fluidpassage i ergibt sich zum Beispiel aus der Beziehung: di=4Ai/Ui , wobei
    di =
    hydraulischer Durchmesser der Kanäle der Fluidpassage i
    Ai =
    durchströmter Kanalquerschnitt der Fluidpassage i
    Ui =
    benetzter Kanalumfang der Fluidpassage i
    ist.
    Mikrostrukturkörper der genannten Art sind allgemein dadurch gekennzeichnet, daß entweder die charakteristischen hydraulischen Kanaldurchmesser di oder die Kanalabmessungen ai, wobei ai die größte Abmessung eines Mikrokanales senkrecht zur Fluidpassage i ist, aller Mikrokanäle zumindest einer Fluidpassage i kleiner 1000 µm sind. Die kleinste Wandstärke bi, das heisst der geringste Abstand zwischen einzelnen Fluidpassagen ist ebenfalls kleiner 1000 µm, vorzugsweise kleiner 200 µm zu wählen. Diese Aussagen gelten auch für den Fall, daß die Mikrokanäle einer Fluidpassage i untereinander unterschiedlich groß sind.
    Die deutliche Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung in solchen Mikrostrukturkörpern beruht darauf, daß durch die kleinen hydraulischen Kanaldurchmesser di, vor allem aber durch die kleinen Kanalabmessungen ai, die Transportwege für zu übertragenden Wärmeströme sehr kurz sind. Gegenüber Wämedurchgangskoeffizienten von ca. 1000 W/K m in konventionellen Wärmeübertragern ergeben sich in Mikrostrukturkörpern zur Wärmeübertragung Werte in der Größenordnung 20000 W/K m, bei Fluidpassagen mit di = 80 µm, ai = 70µm. Die spezifische Wärmeübertragungsfläche kann dabei Werte größer 100 cm2/cm3 erreichen. Daraus resultiert insgesamt eine Steigerung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung um mindestens einen Faktor 100 gegenüber konventionellen Wärmeübertragern.
    Aus gewonnenen experimentellen Daten von Mikrostrukturkörpern zur Wärmeübertragung ergeben sich bei Verweilzeiten herunter bis zu wenigen Millisekunden Aufheizraten von bis zu 10000 K pro Sekunde. Daher kann ein Flüssigkeitsstrom von 400 kg/h in einem Mikrostrukturkörper von 1 cm3 aktivem Volumen bei 6 bar Eintritts- und 1 bar Austrittsdruck in 3 Millisekunden um 30°K erhitzt werden. Für größere Mikrostrukturkörper mit 27 cm3 aktivem Volumen ergeben sich ein Durchsätze von ca. 4000 kg/h. Unter dem aktiven Volumen eines Mikrostrukturkörpers ist das Volumen im Inneren zu verstehen, in welchem die Mikrokanäle verlaufen, wobei das Volumen von Deck- und Seitenplatten sowie das der Anschlüsse nicht mitgerechnet ist.
    Nach dem neuen Verfahren wird das zu erhitzende Fluid durch mindestens eine Ebene bzw. Schicht eines Mikrostrukturkörpers mit einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Mikrokanälen bzw. Mikrodurchbrüchen geleitet, deren Querabmessungen wie bereits erwähnt kleiner 1000 µm sind, bevorzugt kleiner 500 µm, wobei unmittelbar angrenzend an diese fluidführende Ebene mindestens eine Schicht mit mindestens einem elektrisch beheizten Heizelement angeordnet ist, welches gegenüber dem Material der Fluidebene elektrisch isoliert ist. Für größere Durchsätze sind viele Ebenen bzw. Schichten mit Mikrodurchbrüchen für die Fluide abwechselnd mit Schichten mit elektrisch beheizten Heizelementen zu einer kompakten Einheit angeordnet, wie in den später beschriebenen Figuren 1 und 2 prinzipiell gezeigt.
    Die Heizelemente können je nach Anwendung bezüglich des Stromflusses in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon geschaltet werden. Zur Erzeugung eines aufgeprägten Temperaturprofiles in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides können in den Heizschichten mehrere Heizelemente, -in Strömungsrichtung gesehen-, hintereinander angeordnet werden, die unterschiedliche elektrische Leistungen abgeben. Damit können die fluidführenden Mikrostrukturen, - wieder in Strömungsrichtung gesehen -, auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden. Dadurch kann ein Temperaturprofil in dem Mikrostrukturkörper zur Ausübung eines Verfahrens in dem strömenden Fluid erzeugt werden. Dies kann dann von Bedeutung sein, wenn z. B. in dem Mikrostrukturkörper ein chemischer, endothermer Prozeß geführt wird, bei dem die Temperatur in Strömungsrichtung erst konstant gehalten und danach gezielt erhöht werden muß.
    In der Figur 1 ist nun ein solcher Mikrostrukturkörper 1 schematisch dargestellt, in den elf Foliendoppelstücke eingebaut sind, die jeweils zusammengeschweißt und übereinander gestapelt elf Reihen von Mikrokanälen 2 ergeben. Jedes der Foliendoppelstücke enthält eine Vielzahl von Mikrokanälen mit 150 µm Breite und Höhe sowie einer Länge von 22 mm. Ihr hydraulischer Durchmesser liegt bei 133 µm. Die elf zusammengeschweißten Foliendoppelstücke sind jeweils an ihren Rändern übereinander mit zehn Abstandsstücken 3 zu einem Block verschweißt, so daß durch die Abstandstücke 3 flache Hohlräume 4 zwischen den Foliendoppelstücken gebildet werden, in welche plattenförmige, keramische elektrische Heizelemente 5 eingesetzt werden. Auf die Stirnseiten des Mikrostrukturkörpers 1 mit den Öffnungen der Mikrokanäle 2 sind hohle Adapterstücke 6 gesetzt, durch welche das zu erwärmende Fluid 7 in die Mikrokanäle 2 geleitet wird. Der Mikrostrukturkörper 1 ist oben und unten mit zwei Endplatten 7 komplettiert, die mit den Strukturen der Foliendoppelstücke sowie der Abstandsstücke 3 zu einem geschlossenen Block diffusionsverschweißt sind.
    Als Material für direkt einsetzbare Heizelemente 5 werden neben der bereits erwähnten elektrisch leitfähigen Keramik Materialien mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand verwendet. In Frage kommen neben anderem z. B. Tantal, Titan, Wolfram, Konstantan und Fecralloy, wobei letzteres auf seiner Oberfläche eine Chromoxyd-Aluminiumoxyd-Schutzschicht ausbildet, die eine natürliche Isolierung bildet. Letztlich können die beheizten Schichten oder Heizelemente aber auch aus einem anderen Metall bzw. einer Metalllegierung mit einer Oxydschicht auf der Oberfläche zur Isolierung bestehen.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrostrukturkörpers ist in der Figur 2 dargestellt. Bei diesem Mikrostrukturkörper 13 werden Widerstandsheizpatronen 9 zum Heizen verwendet. Zwischen zwei Stahlplatten 10 als Deckel und Boden des Mikrostrukturkörpers sind jeweils mehrere mit Mikrokanälen 14 strukturierte Stahlfolien 11 und Abstandsstücke 12 als beheizte Schichten in alternierender Ordnung übereinandergeschichtet und miteinander diffusionsverschweißt. In die mikrostrukturierten Folien 11 sind jeweils eine Vielzahl von Mikrokanälen 14 für das Fluid 7 mit etwa den bereits angeführten Abmessungen eingebracht. Die Heizpatronen 9 sind in Bohrungen der Abstandsstücke 12 eingeschoben. Der Fluidanschluß an die Mikrokanäle 14 erfolgt mittels nicht dargestellter Standardfittings die als Verbindungsstücke dienen. Abhängig von der Zahl und der Leistung der Heizpatronen 9 kann die Gesamtleistung eines solchen Mikrostrukturkörpers 13 im Bereich von einigen 100W bis zu mehreren kW liegen.
    Bezugszeichenliste:
    1
    Mikrostrukturkörper
    2
    Mikrokanäle
    3
    Abstandsstücke
    4
    Hohlräume
    5
    Heizelemente
    6
    Adapterstücke
    7
    Fluid
    8
    Endplatten
    9
    Heizpatronen
    10
    Stahlplatten
    11
    Folien
    12
    Abstandsstücke als beheizte Schichten
    13
    Mikrostrukturkörper
    14
    Mikrokanäle

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids, sowie einem die Wärmeenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger, wobei ein Teil des Mikrostrukturkörpers durch direkte oder indirekte ohmsche elektrisch Erwärmung aufgeheizt und die entstandene Wärme durch Wärmeleitung innerhalb des Mikrostrukturkörpers auf das zu erwärmende Fluid übertragen wird
      dadurch gekennzeichnet, dass
      zur Erzeugung eines aufgeprägten Temperaturprofiles in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides mit unterschiedlicher elektrischer Leistung geheizt wird und damit unterschiedliche Wärmemengen übertragen werden.
    2. Mikrostrukturkörper zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem primären Energieträger und einem sekundären Fluid als Medium zur Abfuhr der im Mikrowärmetauscher freigesetzten Wärme, wobei
      a) der Energieträger elektrischer Strom ist, der innerhalb des Mikrostrukturkörpers (1, 13) direkt in Wärme umgewandelt und dann durch Wärmeleitung auf das zu erwärmende Fluid (7) übertragen wird sowie
      b) der Mikrostrukturkörper schichtweise aufgebaut ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      c) zwischen mindestens jeweils einer, Mikrokanäle für das Fluid aufweisenden Schicht (11) mindestens eine elektrisch direkt oder indirekt beheizte Schicht (12 und 4, 5) angeordnet ist sowie
      d) in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides gesehen, beheizte Schichten (12) oder Heizelemente (5, 9) mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen angeordnet sind.
    3. Mikrostrukturkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizten Schichten (12) oder Heizelemente (5, 9)aus Fecralloy oder einem anderen Metall bzw. einer Metalllegierung mit einer Oxydschicht auf der Oberfläche zur Isolierung bestehen.
    EP00107948A 1999-04-17 2000-04-14 Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper Expired - Lifetime EP1046867B1 (de)

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    ID=7905003

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    EP (1) EP1046867B1 (de)
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